基于SolidWorks的工程机械钢圈三维建模及有限元分析

一、引言

    钢圈是汽车、轮式工程机械的重要部件，它的结构不仅对车辆的速度、加速度、制动性能和平顺性等有重要影响，还直接关系到人的安全。本文的研究对象是典型的工程机械钢圈，按照标准规定的钢圈试验方法，使用 Simulation进行结构仿真，查看径向试验和弯曲试验两种工况条件下，钢圈结构的应力和位移的分布。在此过程中，我们还研究了如何设置边界条件，实现两种工况的约束和加载等相关内容。

二、钢圈结构三维建模

    一般的工程机械的钢圈结构如图1所示，主要由轮辋、锁圈和挡座圈组成。

图1 钢圈结构图

    我们首先建立了钢圈的三维装配模型，为了将来设置边界条件时的需要，我们也建立了一个局部坐标系。

    Simulation可以支持的配置，并且各个分析算例可以通过配置分别进行管理，以避免分析数据发生混淆。因此，我们在三维模型中，建立了“径向”和“弯曲”两个配置，分别对应将来的径向工况和弯曲试验工况。

三、径向试验工况

    按照G B/T5909-1995的规定，车辆钢圈进行径向试验，采用一个与钢圈平面平行的转鼓，转鼓中心和车轮中心在径向成一直线。通过转鼓在钢圈径向进给，实现径向加载。径向载荷Fr用牛顿(N)计量，由式(1)确定：

    式中，Fr是径向载荷，单位为N；F是制造厂规定的车轮上的最大垂直静负荷或车轮的额定负荷，单位为N；K是强化试验系数。

    本文中，车轮上的最大垂直静负荷为33075N，强化系数按照标准选为2.0，经计算可得试验用径向载荷为66150N。进行径向试验时，车轮需按照规定压力充气，本文中规定的充气压力为0.55MPa。

    1.建立算例

    首先在配置页面中，双击“径向”配置，将模型切换到径向试验配置，如图2所示。针对径向配置，建立一个静态算例，这里选择静态算例，近似模拟了对钢圈径向缓慢加载的情况，如图3所示。

图2 切换配置

图3 建立算例

      2.定义材料和连结

    在建立钢圈模型时，我们已经指定了各个零件的材料，这些参数会随模型带入到 Simulation中，如图4所示。软件也允许大家定义用于径向试验仿真的材料数据。